Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢华林　祁圣民　张　鹏

(江苏科技大学，江苏 镇江　212003)

柔性排缆绞车检测系统设计

Design of the Detection System for Flexible Cabling Winch

鄢华林祁圣民张鹏

(江苏科技大学，江苏 镇江212003)

摘要：为了确保柔性排缆绞车能够正常工作，在LabVIEW平台上开发了缆车自动检测系统。系统利用LabVIEW中的VISA技术，解决了上位机与SEW变频器的串口通信问题，并通过LabVIEW前面板实时读取变频器与电机的工作状态。实验表明,该检测系统具有开发周期短、可靠性高、实现简单方便、维护便捷的特点，为后续柔性排缆绞车的精确控制提供了很好的技术支持。

关键词：虚拟仪器缆车监视变频器柔性排缆通信

Abstract：In order to ensure the normal operation of flexible cabling winch, the automatic detection system has been developed for cable car on LabVIEW platform. The VISA technology in LabVIEW is adoped to realize the serial communication between host computer and SEW inverter. The operation status of the inverter and motor can be read in real time via LabVIEW front panel. The tests indicate that the detection system features short develping cycle, high reliability, ease to operation and maintenance. It provides well technonical support subsequently for previse control of flexible cabling winches.

Keywords：Virtual instrumentCable car monitoringInverterCabling winchCommunication

0引言

柔性排缆绞车需要完成缆绳的回收和释放工作，随着缆绳直径的变化，缆车的转速也要发生相应的变化。为实现柔性排缆绞车的精确控制，须要准确实时地采集到缆车的运转参数。对于柔性排缆绞车，采用变频器来实现电机的速度调节已经成为一种很有效的控制方式。采用变频器与上位机通信来实现电机作业状况的监测，通信通常都是通过串口通信来实现。目前串口通信的界面开发大部分是通过在Windows操作系统下利用VC++、VB、Delphi等软件进行编程。采用这些软件编写通信程序时，编程人员需要编写繁琐的API程序，且这些软件中都没有专业的通信模块，实现繁琐。针对以上面临的要求与不足，利用LabVIEW中的VISA技术实现变频器与上位机的通信以及实时数据采集。

1柔性排缆绞车工作原理

由于不同的拖曳设备使用的缆绳直径不同，这要求绞车的自动排缆机构能够适应多种不同直径的缆绳；在进行缆绳排缆时，要确保缆绳整齐密实地缠绕在绞车的卷筒上。这要求柔性排缆机构能够有效地保证排缆机构的横向运动和绞车卷筒的旋转运动同步发生相应的变化。柔性排缆绞车结构示意图如图1所示。

图1　电控式柔性排缆机构

在排缆作业过程中，当缆绳直径发生变化时，传感器将信号传给电机2对应的变频器，变频器控制电机2使得排缆导头的横向运动速度发生相应的变化。为了保证缆绳在绞车卷筒上排列整齐有序，卷筒的转速也要发生相应的变化，这主要由电机10对应的变频器来控制。

使用这种控制方式的优点主要有：

① 可以使用单向丝杠。机械式排缆在缆绳排缆换向时要采用双向丝杠，双向丝杠的加工成本高，且使用寿命较短。

② 增加了排缆的柔性。机械式排缆在缆绳直径发生变化后，需要改变机械结构来改变传动比，进而实现电机转速的改变。所以机械式排缆不能实现无级调速，而电控式排缆可以通过程序很容易实现无级调速的功能。

从柔性排缆的工作原理可以看出，要达到柔性排缆的目的，就要对两个电机的速度进行精确的控制。为了对三相交流异步电机进行控制，就要能够精确地读出电机与对应的变频器的工作参数。

2SEW变频器与上位机通信硬件配置

2.1　SEW变频器与上位机接口配置

MDX61B0110系列SEW变频器的通信接口为RS- 485串口。上位机PC的通信串口为RS-232，所以在上位机与SEW变频器通信时需要使用RS-232/RS- 485转化模块。SEW变频器上有ST11与ST12两个端口，分别对应RS- 485+与RS- 485-。利用双绞线将ST11与ST12分别连接至RS-232/RS- 485转换模块中的RS+与RS-，转化模块需要另外连接独立的开关电源，以提供稳定的24 V电压。转换之后通过RS-232接口连接上位机PC。通信接口连接简图如图2所示。

图2　变频器通信接口简图

由于上位机PC中只有一个串口，所以不可能为每个变频器分配一个单独的串口，故变频器之间的通信连接显得格外重要。通过屏蔽线连接各个变频器上的ST11与ST12端口，连接方式如图3所示。此种连接方式最多可以连接32个SEW变频器，或者连接31个变频器再加上一个主控系统。利用RS- 485连接在一起的变频器之间不能有任何电位差。为了避免发生有电位差的情况，需要采取适当的措施，常用的方法是使用一根独立分开的引线连接变频器的接地线。

图3　变频器之间接口接线图

变频器连接完之后，用图1所示的方法连接上位机PC与变频器，这样通过一个串口便可以实现与多个变频器之间的通信。

2.2　SEW变频器通信指令

在串口通信中，最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。

波特率是用来衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送位的个数。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于距离很近的仪器间的通信。SEW变频器与上位PC机通信波特率设为9 600 bit/s。

数据位是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，标准的值是6、7和8位。数据位如何设置取决于想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127(7位)，扩展的ASCII码是0～255(8位)，如果数据使用简单的文本(标准 ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位、数据位和奇偶校验位。SEW变频器与上位PC机数据位设为8。

停止位用于表示单个包的最后一位。典型的值为1、1.5和2位。

奇偶校验位是串口通信中一种简单的检错方式。有4种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶数个或者奇数个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正地检查数据，只简单置位逻辑高或者逻辑低。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰通信或者传输和接收数据是否不同步。

如图4所示为通信报文结构简图。

图4通信报文结构图

Fig.4Structure of the communication message

如图4所示，SD1(Start delimiter 1)为初始分隔

符，串口通信中可以靠它来识别报文传送的是请求信号还是响应信号。请求报文的SD1=02(hex)，响应报文的SD1=1D(hex)。

② TYP，主要是用来设置传输数据的结构以及数据的长度。

③ PDU，包括了要发送的具体内容，例如要读取速度还是频率，具体的值是多少。

④ BCC，主要是对传送的数据进行校验，判断数据在传输过程中是否因为干扰或者其他原因导致信号失真。

以读速度为例，上位机PC向SEW变频器发送的指令为：02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，奇校验方法如表1所示。

表1　校验方法

表1中,0位到7位表示的是每位代码转化为8位二进制以后对应的值。由于代码中的第7、8、9、10均为零，故在表格中将其省略。

在连续读同一个参数时握手信号位不需要改变，如果同时读几个参数，则握手信号位以0、1交替；校验码计算方法，前面11个字节将十六进制转换为对应的二进制以后，按纵向排列的位为1时，如果有奇数个1，则对应校验码该位为1，其他情况为0。发送该指令后读到12个字节，5、6字节还是地址，7、8、9、10字节为数据。对于速度值，把7、8、9、10字节从高到低组合成一个整数，还要除以1 000，才能得到以r/min为单位的速度值。

用同样的方法可以读出变频器的输出频率、电机电流、电机的转角等。由于方法类似不再一一介绍。

3软件实现

在LabVIEW中使用串口与在其他开发环境中开发的过程相类似。首先，需要调用串口配置(VISA configure serial port)函数，通过串口配置函数对串口参数进行配置，需要配置的参数包括波特率、数据位、停止位、校验位等。初始化串口之后,需要对串口进行读与写的操作，数据的发送使用VISA写入函数(VISA Write)，数据接收使用VISA读取函数(VISA Read)。在接收数据之前需要使用串口字节数函数(VISA btypes at serial port),查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数，如果VISA读取函数要读取的字节数大于缓冲区中的字节数，VISA读取函数将一直等待，直到Timeout或者缓冲区中的数据字节达到要求的字节数。

SEW变频器在读取参数时比较特殊，在读取参数时上位机PC给变频器的报文必须是变化的。以读取速度为例，如果上位机只给变频器发送02 01 06 41 00 20 7E 00 00 00 00 1A，变频器反馈回来的数据是不会变化的，即数据不能更新，所以在读速度时给变频器发送的报文要读一下速度再读一下其他的参数比如频率或者电机电流。工作流程如图5所示。

图5　LabVIEW软件读参数工作流程示意图

由于SEW变频器的特殊性，对于读取出来的参数要进行判断，要识别出变频器反馈回来的报文是与速度相关还是与频率或者与电机电流相关。这主要通过反馈回来的报文进行区分。区分报文之前需要做一些准备工作，要将反馈报文中的第5、6、7、8、9、10位分别取出来。变频器反馈回来的报文每一位都是十六进制形式，取出报文中的每一位都要以十进制的形式保存。对读取出来的报文数组取属性节点，通过LabVIEW中的索引数组函数取出报文中的5、6、7、8、9、10这几位，并以十进制形式保存。

将报文的数据位提取出来之后，将其转化为十进制，转化方法为：

十进制结果=7位×166+8位×164+

9位×162+10位×160

(1)

由SEW通信协议可知，十进制结果为电机的实际转速或者工作频率。

对第5、6两位进行十进制转换，转换公式如下：

十进制值=5位×162+6位×160

(2)

式(2)中十进制值为8 318时表示反馈的报文值为速度，当十进制值为8 319时表示反馈的报文值为频率。以此来区分反馈报文中包含的信息内容。电机的转向通过第7位区分，当第7位为FF(十六进制)时电机反向运转，其他情况下电机处于正转状态。

4结束语

基于LabVIEW开发的柔性排缆绞车检测系统能够直观实时监测缆车电机的运行参数，开发周期快，便于维护。通过实地运行验证，监测系统的运行状态良好，为后期的电机控制打下了坚实的基础。

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通信地址① ADR(Slave address)，为变频器的，通过此地址上位机可以知道此刻正在与哪个变频器进行通信。

中图分类号：TH7;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508008

修改稿收到日期：2014-07-15。

第一作者鄢华林(1957-)，男，1980年毕业于江苏大学机械工程专业，获学士学位，教授；主要从事电液伺服控制、海洋装备、系留装置方面的研究。